Определение электромагнитных волн: ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В СРЕДЕ — Мегаобучалка

Содержание

Referat. Электромагнитные волны — PhysBook

Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями

Колебания заряда и силы тока в колебательном контуре сопровождаются колебаниями напряженности электрического поля и магнитной индукции в окружающем контур пространстве. Подобно механическим колебаниям в среде (газе, жидкости, твердом теле), распространяющимся в пространстве с течением времени, колебания электромагнитного поля тоже распространяются в пространстве. Только это происходит не в какой-либо среде, а в вакууме. Среда влияет на распространение колебаний, но не является необходимой для их существования.

Переменное магнитное поле порождает электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. При изменении со временем магнитной индукции \(~\vec B\) возникает электрическое поле, линии напряженности которого охватывают линии магнитной индукции (рис. 1, а). Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность электрического поля. При возрастании магнитной индукции \(~\left ( \frac{\Delta B}{\Delta t} > 0 \right)\) направление напряженности образует левый винт с направлением вектора \(~\vec B\) .

  • а

  • б

Рис. 1

Итак, магнитное поле порождает электрическое. Не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное? Это предположение, диктуемое соображениями симметрии, составляет основу гипотезы Максвелла.

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе. Во всех случаях, когда электрическое поле изменяется со временем, оно порождает магнитное поле. Линии магнитной индукции этого поля охватывают линии напряженности электрического поля (рис. 1, б) подобно тому, как линии напряженности электрического поля охватывают линии индукции переменного магнитного поля. Но только при возрастании напряженности электрического поля \(~\left ( \frac{\Delta E}{\Delta t} > 0 \right)\) направление вектора индукции \(~\vec B\) возникающего магнитного поля образует правый винт с направлением вектора \(~\vec E\) .

Утверждение Максвелла некоторое время оставалось не чем иным, как гипотезой.

Причем гипотезой, которую мы сейчас с полным правом можем назвать гениальной. Ее справедливость была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает магнитное поле и т.д.

Переменное электрическое поле в пустоте или внутри диэлектрика было названо Максвеллом током смещения. Название «ток» было применено потому, что это поле порождает магнитное поле точно так же, как обычный ток. Добавка «смещения», с одной стороны, говорит нам, что это не обычный ток, а нечто специфическое, а с другой стороны, напоминает о том отделенном времени, когда с изменением электрического поля в вакууме связывалось смещение частиц гипотетической средь — эфира.

После введения представлений о токе смещения появилась возможность любой электрический ток рассматривать как замкнутый. Так, например, в колебательном контуре ток проводимости в катушке (упорядоченное движение электронов) сменяется током смещения между обкладками конденсатора (изменяющимся со временем электрическим полем, рис.

2). Причем переменное электрическое поле создает такое же магнитное поле, как если бы между обкладками существовал ток проводимости, равный току в катушке.

Рис. 2

Сейчас может показаться, что в гипотезе Максвелла нет ничего необычного. Не мог ли ее высказать любой ученый? Нет! Не надо забывать, что сама возможность гипотезы о возникновении магнитного поля при изменении электрического появилась лишь после объяснения электромагнитной индукции на основе представлений о поле. И это в то время, когда большинство известных ученых вообще не придавали самому понятию поля сколько-нибудь серьезного значения и когда до момента экспериментального доказательства его существования оставалось еще несколько десятков лет.

Максвелл не только высказал гипотезу, но и сформулировал точный количественный закон, определяющий значение магнитной индукции в зависимости от скорости изменения напряженности электрического поля (ток смещения, по Максвеллу, пропорционален скорости изменения напряженности электрического поля).

Максвелл смело положил в основу теории объект, экспериментальное существование которого не было доказано, — поле. И далее, идя шаг за шагом, опираясь на установленные опытным путем закономерности (законы Кулона, Ампера, Био-Савара-Лапласа и закон электромагнитной индукции Фарадея), он пришел к конечной цели. Гипотеза о токах смещения была последним принципиальным звеном. Здесь Максвелл наделил гипотетический объект новым гипотетическим свойством, не имея на то, в отличие от предыдущих случаев, прямых экспериментальных указаний.

Электромагнитное поле

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого.

Нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и электрическое поле. И наоборот, переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Правда, покоящийся заряд создает только электрическое поле (рис. 3). Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы отсчета. Относительно других систем отсчета он будет двигаться и, следовательно, создавать и магнитное поле (рис. 4).

  • Рис. 3

  • Рис. 4

Точно так же лежащий на столе магнит создает только магнитное поле. Но движущийся относительно него наблюдатель обнаружит и электрическое поле в полном соответствии с явлением электромагнитной индукции.

Значит, утверждение, что в данной точке пространства существует только электрическое или только магнитное поле, бессмысленно, если не указать, по отношению к какой системе отсчета эти поля рассматриваются. Отсутствие электрического поля в системе отсчета, содержащей покоящийся магнит, совсем не означает, что электрического поля нет вообще. По отношению к любой движущейся относительно магнита системе отсчета это поле может быть обнаружено.

Подобно тому, как меняется окраска окружающего нас пейзажа, если рассматривать его сквозь различные цветные стекла (светофильтры), меняются количественные характеристики полей при переходе от одной системы отсчета к другой.

Подобно тому, как синие предметы становятся на черном фоне невидимыми, если их рассматривать через красное стекло, подходящим выбором системы отсчета мы можем в ряде случаев сделать ненаблюдаемыми магнитное поле или поле электрическое. Разница в одном, но очень важном обстоятельстве. Мы можем отбросить цветные стекла и сказать: вот истинные цвета пейзажа, вот каков он в действительности! С полным правом один из светофильтров (атмосферу) можно объявить привилегированным. Сделать же это с системой отсчета нельзя. Все инерциальные системы отсчета имеют совершенно одинаковые права на существование. Поэтому нет какой-то особой конфигурации полей, имеющих абсолютную значимость, независимую от системы отсчета.

На основании сказанного можно сделать вывод: электрические и магнитные поля — проявление единого целого: электромагнитного поля. В зависимости от того, в какой системе отсчета рассматриваются электромагнитные процессы, проявляются те или иные стороны этого единого целого.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следствий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания.

Это вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может. Ведь один заряд непосредственно через пустоту «чувствует» присутствие другого. По Максвеллу же дело обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т.д. Причем возникающее вихревое магнитное или вихревое электрическое поле гасит ноле в тех областях пространства, где оно уже имелось, но захватывает новые области пространства (рис. 5).

Рис. 5

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда.

Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте — 300 000 км/с. Вот новое фундаментальное свойство поля, которое делает его, наконец, осязаемой реальностью.

Электромагнитная волна

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, равен периоду колебаний заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т.

д.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. На рисунке 6 изображен «моментальный снимок» такой системы полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда колебания происходят с различными фазами.

Рис. 6

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом существенно, что скорость движения таких зарядов меняется со време-нем, т.е. что они движутся с ускорением. Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность излученной волны тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Векторы \(~\vec E\) и \(~\vec B\) в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной. Если вращать буравчик с правой нарезкой от вектора \(~\vec E\) к вектору \(~\vec B\) , то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны \(~\vec \upsilon\) .

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но он не дожил до их экспериментального обнаружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

Излучение электромагнитных волн

Электромагнитная волна образуется благодаря взаимной связи переменных электрических и магнитных полей: изменение одного поля приводит к появлению другого. Чем быстрее меняется со временем магнитная индукция, тем больше напряженность возникающего электрического поля. И в свою очередь, чем быстрее меняется напряженность электрического поля, тем больше магнитная индукция.

Следовательно, для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания достаточно высокой частоты. При этом условии напряженность электрического поля \(~\vec E\) и индукция магнитного поля \(~\vec B\) будут меняться быстро.

Опыты Герца

Колебания высокой частоты, значительно превышающей частоту про-мышленного тока (50 Гц), можно получить с помощью колебательного контура. Частота колебаний \(~\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}\) будет тем больше, чем меньше индуктивность и емкость контура.

Однако большая частота электромагнитных колебаний еще не гарантирует интенсивного излучения электромагнитных волн. В своих опытах для получения электромагнитных волн Герц использовал простое устройство, называемое сейчас вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур. Обычный колебательный контур, какой изображен на рисунке 7, а (его можно назвать закрытым), не приспособлен для излучения электромагнитных волн.

Рис. 7

Дело в том, что его переменное электрическое поле сосредоточено преимущественно в очень малой области пространства между обкладками конденсатора, а магнитное — внутри катушки. Чтобы излучение электромагнитных волн было достаточно интенсивным, область переменного электромагнитного поля должна быть велика и не огорожена металлическими пластинами. Здесь имеется сходство с излучением звуковых волн. Колеблющаяся струна или камертон без резонаторного ящика почти не излучают, так как в этом случае колебания воздуха возбуждаются в очень малой области пространства, непосредственно примыкающей к струне или ветвям камертона.

Область, в которой создается переменное электрическое поле, увеличивается, если раздвигать пластины конденсатора. Емкость при этом уменьшается. Одновременное уменьшение площади пластин еще больше уменьшит емкость (рис. 7, б). Уменьшение же емкости увеличит собственную частоту этого колебательного контура. Для еще большего увеличения частоты нужно заменить катушку прямым проводом без витков. Индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности катушки. Продолжая раздвигать пластины и уменьшая одновременно их размеры, мы придем к открытому колебательному контуру. Это просто прямой провод (рис. 7, в). В открытом контуре заряды не сосредоточены на концах, а распределены по всему проводнику. Ток в данный момент времени во всех сечениях проводника направлен в одну и ту же сторону, но сила тока не одинакова в различных сечениях проводника. На концах она равна нулю, а посредине достигает максимума. (Напомним, что в обычных цепях переменного тока сила тока во всех сечениях в данный момент времени одинакова.)

Для возбуждения колебаний в таком контуре нужно провод разрезать посредине так, чтобы остался небольшой воздушный промежуток, называемый искровым (рис. 8, а). Благодаря этому промежутку можно зарядить оба проводника до высокой разности потенциалов.

При сообщении шарам достаточно больших разноименных зарядов между ними происходил электрический разряд и в электрическом контуре возникали свободные электрические колебания. После каждой перезарядки шаров между ними вновь проскакивала искра, и процесс повторялся многократно. Поместив на некотором расстоянии от этого контура виток проволоки с двумя шарами на концах — резонатор (рис. 8, б), — Герц обнаружил, что при проскакивании искры между шарами вибратора маленькая искра возникает и между шарами резонатора. Следовательно, при электрических колебаниях в электрическом контуре в пространстве вокруг него возникает вихревое переменное электромагнитное поле. Это поле и создает электрический ток во вторичном контуре (резонаторе).

  • а

  • б

Рис. 8

Из-за малой емкости и индуктивности частота колебаний очень велика. Колебания, разумеется, будут затухающими по двум причинам: во-первых, вследствие наличия у вибратора активного сопротивления, которое особенно велико в искровом промежутке; во-вторых, из-за того, что вибратор излучает электромагнитные волны и теряет при этом энергию. После того как колебания прекратятся, источник вновь заряжает оба проводника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется сначала (рис. 9).

Рис. 9

В настоящее время для получения незатухающих колебаний в открытом колебательном контуре его связывают индуктивно с колебательным контуром генератора на транзисторе или лампового генератора.

Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока. Колебания электрических зарядов в вибраторе создают электромагнитную волну. Только колебания в вибраторе совершает не одна заряженная частица, а огромное число электронов, движущихся согласованно.

В электромагнитной волне векторы \(~\vec E\) и \(~\vec B\) перпендикулярны друг другу, причем вектор \(~\vec E\) лежит в плоскости, проходящей через вибратор, а вектор \(~\vec B\) перпендикулярен этой плоскости. На рисунке 10 показаны линии напряженности электрического и индукции магнитного полей вокруг вибратора в фиксированный момент времени: в горизонтальной плоскости расположены линии индукции магнитного поля, а в вертикальной — линии напряженности электрического поля. Излучение волн происходит с максимальной интенсивностью в направлении, перпендикулярном оси вибратора. Вдоль оси излучения не происходит.

Рис. 10

Электромагнитные волны регистрировались Герцем с помощью приемного вибратора, представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитной волны в приемном вибраторе возбуждаются колебания тока. Если собственная частота приемного вибратора совпадает с частотой электромагнитной волны, наблюдается резонанс и колебания в приемном вибраторе происходят с большой амплитудой. Герц обнаруживал их, наблюдая искорки в очень маленьком промежутке между проводниками приемного вибратора.

Герц не только получил электромагнитные волны, но и обнаружил, что они ведут себя подобно другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа и интерференцию волн. При сложении волны, идущей от вибратора, с волной, отраженной от металлического листа, образуется стоячая волна. Перемещая приемный вибратор, можно найти положение пучностей стоячей волны и определить длину волны. Длина волны равна удвоенному расстоянию между пучностями.

В опытах Герца длина волны составляла несколько десятков сантиметров. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле \(~\upsilon = \lambda \cdot \nu\) . Она оказалась равной скорости света с = 300 000 км/с.

Опыты Герца блестяще подтвердили теоретические предсказания Максвелла.

Свойства электромагнитных волн

Современные радиотехнические устройства позволяют провести наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона. Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Гармонические колебания генератора изменяют (модулируют) в такт с колебаниями звуковой частоты. Принятый сигнал после преобразования (детектирования) подается на громкоговоритель.

Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке 11.

Рис. 11

Поглощение электромагнитных волн

Рупоры располагают друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом наблюдается уменьшение громкости.

Отражение электромагнитных волн

Если вместо диэлектрика между рупорами поместить металлический лист, то звук перестанет быть слышимым. Электромагнитные волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к металлическому листу (рис. 12). Звук исчезает, если убрать лист или повернуть его.

Рис. 12

Преломление электромагнитных волн

Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина или другого диэлектрика. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой (рис. 13). Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Рис. 13

Поперечность электромагнитных волн

Электромагнитные волны — это поперечные волны. Векторы \(~\vec E\) и \(~\vec B\) электромагнитного поля волны перпендикулярны к направлению ее распространения. Колебания напряженности электрического поля волны, выходящей из рупора, происходят в определенной плоскости, а колебания вектора магнитной индукции — в плоскости, ей перпендикулярной. Волны с определенным направлением колебаний называются поляризованными. Приемный рупор принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90° относительно оси рупора. Звук при этом исчезает.

Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических проволочек (рис. 14). Решетку располагают так, чтобы проволочки были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен проволочкам, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны подобно сплошному металлическому листу.

Рис. 14

Когда же вектор \(~\vec E\) перпендикулярен проволочкам, то токи в них не возбуждаются, и электромагнитная волна проходит.

Интерференция электромагнитных волн

На опытах с генератором СВЧ можно наблюдать такое важнейшее волновое явление, как интерференция. Генератор и приемник располагают друг против друга (рис. 15). Затем подводят снизу металлический лист в горизонтальном положении. Постепенно поднимая лист, обнаруживают поочередное ослабление и усиление звука.

Рис. 15

Явление объясняется следующим образом. Волна из рупора генератора частично попадает непосредственно в приемный рупор. Другая же ее часть отражается от металлического листа. Меняя расположение листа, мы изменяем разность хода прямой и отраженной волн. Вследствие этого волны либо усиливают, либо ослабляют друг друга в зависимости от того, равна ли разность хода целому числу волн или нечетному числу полуволн. Можно наблюдать также дифракцию электромагнитных волн.

Принципы радиосвязи

Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., заинтересовали физиков всего мира. Мысль об использовании электромагнитных волн возникла сразу же у многих ученых. Герц скептически относился к возможности беспроволочной телефонной связи. По его мнению, сравнительно медленные электрические колебания акустических частот не могут быть переданы на большие расстояния. Длина электромагнитных волн таких колебаний равна сотням километров.

В России одним из первых занялся изучением передачи электромагнитных волн преподаватель офицерских минных курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел способ передачи электромагнитных сигналов на большие расстояния. Как создавать электромагнитные волны, было известно со времен Герца. Увеличить интенсивность излучаемых волн можно было путем повышения мощности разряда. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио. Ныне он ежегодно отмечается в нашей стране.

Радиосвязь — это передача и прием информации посредством электромагнитных волн в широком диапазоне частот — от 3∙104 до 3∙1011 Гц.

Схема радиосвязи изображена на рисунке 16, а, б. На передающей станции генератор высокочастотных колебаний возбуждает в антенне вынужденные колебания. Для увеличения интенсивности этих колебаний частота генератора выбирается равной одной из собственных частот колебаний антенны.

  • а

  • б

Рис. 16

Излучаемые передающей антенной электромагнитные волны распространяются во все стороны и достигают антенны приемной станции (рис. 16, б). Под действием переменного электромагнитного поля волны электроны в приемной антенне приходят в движение. В антенне возникает переменный ток высокой частоты. Для того чтобы антенна не влияла на резонансную частоту приемного контура, этот контур вынесен из цепи антенны и связан с ней индуктивно. Приемный контур выделяет из всех частот, возбужденных в антенне, только колебания, частота которых равна собственной частоте контура.

Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было изобретение американским радиоинженером Де Форестом (1873-1961) в 1906 г. электронной лампы — триода. На основе триода был создан в 1913 г. ламповый генератор незатухающих электрических колебаний. Благодаря этому, кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов электромагнитных волн, т.е. «точек» и «тире» азбуки морзе (рис. 17), стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи или музыки с помощью электромагнитных волн.

Рис. 17

При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, достаточно усилить эти колебания, подать в антенну, и передача на расстоянии речи и музыки с помощью электромагнитных волн будет осуществлена. Однако в действительности такой простой способ передачи неосуществим.

Дело здесь вот в чем. Колебания звуковой частоты — это медленные колебания. Энергия же, излучаемая в единицу времени, пропорциональна четвертой степени частоты. Поэтому электромагнитные волны низкой частоты практически не излучаются. Возникает проблемная ситуация. Высокочастотные волны интенсивно излучаются, но не несут с собой необходимой информации. Напротив, электрические колебания звуковой частоты такую информацию несут, но электромагнитные волны таких частот не излучаются.

Из этого положения был найден весьма остроумный выход. Он состоит в том, что для передачи используются высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором (рис. 18, а). Колебания же низкой (звуковой) частоты (рис. 18, б) применяют лишь для изменения высокочастотных колебаний или, как говорят, для их модуляции (От латинского слова modulatio – мерность, размерность).

Модуляцией электромагнитной волны называется изменение ее характеристик (амплитуды, частоты или фазы) при помощи колебаний с частотами, значительно меньшими частоты самой электромагнитной волны.

Соответственно различаются амплитудная (рис. 18, в), частотная (рис. 18, г) и фазовая (рис. 18, д) модуляции колебаний. Частота исходной (немодулированной) волны называется несущей частотой, а частота изменения характеристик волны при модуляции — частотой модуляции.

Рис. 18

Модуляция — медленный процесс. Это такой процесс изменений в высокочастотной колебательной системе, при котором она успевает совершить очень много своих высокочастотных колебаний, прежде чем модулируемая характеристика изменится сколько-нибудь заметным образом. Без модуляции нет никакой передачи — ни телеграфной, ни телефонной, ни телевизионной. В лучшем случае можно лишь констатировать, работает станция или нет.

В радиоприемнике из модулированных колебаний высокой частоты, после их усиления, получают низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования называется детектированием (От латинского слова detectio — обнаружение) или демодуляцией.

Полученный в результате детектирования низкочастотный сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления электрические колебания низкой частоты могут быть преобразованы в акустические колебания или использованы для других целей. На рисунке 19 показана блок-схема радиовещательного тракта.

Рис. 19

Амплитудная модуляция

Мы ограничимся рассмотрением наиболее простого типа модуляции — амплитудной модуляции.

Для осуществления амплитудной модуляции можно использовать схему, изображенную на рисунке 20.

Рис. 20

Эта схема состоит из генератора на транзисторе (нижний большой пунктирный прямоугольник), к которому добавлен модулятор (верхний пунктирный прямоугольник). В простейшем случае модулятор состоит из микрофона и источника тока, соединенных последовательно с первичной обмоткой L1 трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора L2 присоединена параллельно к конденсатору С контура в цепи базы транзистора. Конденсатор С имеет малое сопротивление для переменного тока высокой частоты, текущего по обмотке катушки обратной связи L. Вторичная обмотка трансформатора L2 имеет большое индуктивное сопротивление. Поэтому переменные токи высокой частоты, вырабатываемые генератором, проходят через конденсатор С, не ответвляясь в цепь микрофона модулятора. В результате генератор работает так же, как и в отсутствие модулирующей цепи.

Если микрофон отключен, то генератор вырабатывает гармонические колебания:

\(~i_1 = I_{m0} \cdot \sin \omega t\) ,

где ω — несущая частота, а Im0 — постоянная амплитуда колебаний. График этих колебаний представлен на рисунке 21, а.

Рис. 21

При включенном микрофоне звуковые волны возбуждают в его цепи электрические токи низкой частоты. Для этих токов конденсатор обладает большим сопротивлением. Поэтому переменное напряжение, создаваемое на концах обмотки L2 трансформатора, оказывается целиком приложенным к участку цепи база-эмиттер. Медленные колебания этого напряжения приводят к медленному изменению амплитуды высокочастотных колебаний в цепи контура генератора.

Амплитудная модуляция является наиболее простой и широко применяется в радиовещании. Существует частотная модуляция, которую сложно осуществить технически и частотно-модулированный сигнал занимает большую полосу частот, чем амплитудно-модулированный. Но зато частотно-модулированный сигнал менее чувствителен к разного рода помехам, искажающим передаваемую информацию. Поэтому частотная модуляция используется для передачи в диапазоне УКВ, где на каждую станцию может быть выделена достаточно большая полоса частот (в 15-20 раз большая, чем в диапазоне средних и длинных волн).

Детектирование колебаний

Под действием электромагнитной волны передатчика в антенне приемника возбуждаются токи высокой частоты, такие же как токи в антенне передатчика, но только гораздо более слабые. Принятый приемником модулированный сигнал даже после усиления не способен непосредственно вызвать колебания мембраны телефона или рупора громкоговорителя со звуковой частотой. Он только возбудит высокочастотные колебания, не воспринимаемые нашим ухом. Кроме того, амплитуда вынужденных колебаний такой механической системы, как мембрана, при большой частоте очень мала. Вследствие инертности мембрана не будет успевать смещаться сколько-нибудь значительно за малое время, равное периоду высокочастотных колебаний. В приемнике необходимо сначала преобразовать высокочастотные модулированные колебания и получить сигнал звуковой частоты. При этом преобразовании сигнала, как и при модуляции, меняется частотный спектр колебаний. Поэтому должно быть применено устройство с нелинейной характеристикой.

Такое устройство, осуществляющее демодуляцию, или детектирование, содержит обычно элемент с односторонней проводимостью — детектор. Детектором может служить полупроводниковый диод или транзистор, вакуумный диод или триод. Мы рассмотрим работу полупроводникового детектора. На рисунке 22 изображена схема цепи, на вход которой поданы принятые антенной высокочастотные модулированные колебания.

Рис. 22

В цепь последовательно включены детектор (диод) и резистор (нагрузка). Пренебрегая обратным током, можно считать, что в цепи течет ток в одном направлении, отмеченном на рисунке стрелкой. В результате ток в цепи будет пульсирующим. График зависимости силы тока от времени для этого случая показан на рисунке 23.

Рис. 23

Этот пульсирующий ток сглаживается фильтром, состоящим из конденсатора С, шунтирующего резистор R (рис. 24).

Рис. 24

Сглаженный ток звуковой частоты течет через нагрузку. Форма колебаний этого тока почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции (рис. 25, а). Этот ток можно рассматривать как сумму постоянного тока (рис. 25, б) и переменного тока низкой частоты (рис. 25, в). Небольшие пульсации высокой частоты не сказываются заметно на колебаниях мембраны и не воспринимаются на слух.

Рис. 25

Простейший детекторный приемник состоит из колебательного контура, индуктивно связанного с антенной, и присоединенной к контуру цепи, состоящей из детектора и телефона (рис. 26). Катушки телефона играют роль нагрузки. Через них течет ток звуковой частоты. Детекторный приемник очень прост, надежен, не требует источников питания. Однако отсутствие источников питания является и недостатком приемника: он принимает сигналы только близких или очень мощных радиостанций.

Рис. 26

Распространение радиоволн

Электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, называются радиоволнами. Радиоволны делятся на группы.

Наименование радиоволн Диапазон частот, Гц Диапазон длин волн (в вакууме), м
Сверхдлинные < 3∙104 > 10 000
Длинные 3∙104 – 3∙105 10000 – 1000
Средние 3∙105 – 3∙106 1000 – 100
Короткие 3∙106 – 3∙107 100 – 10
Ультракороткие:
метровые 3∙107 – 3∙108 10 – 1
дециметровые 3∙108 – 3∙109 1 – 0,1
сантиметровые 3∙109 – 3∙1010 0,1 – 0,01
миллиметровые 3∙1010 – 3∙1011 0,01 – 0,001

При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Ее форма и физические свойства, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволн.

Особенно существенное влияние на распространение радиоволн оказывают слои ионизированного газа в верхних частях атмосферы на высоте 100-300 км над поверхностью Земли. Эти слои называют ионосферой. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается электромагнитным излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем.

Проводящая электрический ток ионосфера отражает радиоволны с длиной волны λ > 10 м, как обычная металлическая пластина. Но способность ионосферы отражать и поглощать радиоволны существенно меняется в зависимости от времени суток и времен года (именно поэтому радиосвязь, особенно в диапазоне средних длин волн (100-1000 м), гораздо надежнее ночью и в зимнее время).

Устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами на земной поверхности вне прямой видимости оказывается возможной благодаря отражению волн от ионосферы и способности радиоволн огибать выпуклую земную поверхность (т. е. дифракции). Дифракция выражена тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому радиосвязь на больших расстояниях за счет огибания волнами Земли оказывается возможной лишь при длинах волн, значительно превышающих 100 м (средние и длинные волны).

Короткие волны (λ < 100 м) распространяются на большие расстояния только за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли (рис. 27). Именно с помощью коротких волн можно осуществить радиосвязь на любых расстояниях между радиостанциями на Земле.

Рис. 27

Длинные радиоволны для этой цели менее пригодны из-за значительного поглощения поверхностными слоями Земли и ионосферой. Все же наиболее надежная радиосвязь на ограниченных расстояниях при достаточной мощности передающей радиостанции обеспечивается на длинных волнах.

Ультракороткие радиоволны (λ < 10 м) проникают сквозь ионосферу и почти не огибают поверхность Земли. Поэтому они используются для радиосвязи между пунктами в пределах прямой видимости, а также для связи с космическими кораблями.

Литература

  1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. – М.: Дрофа, 2002. – 288 с.
  2. Физика: Учеб. пособие для 11 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.; Под ред. А. А. Пинского. –М.: Просвещение, 1995. – 432 с.

Как распространяются электромагнитные волны?

Каждый раз, когда электрический ток изменяет свою частоту или направление, он генерирует электромагнитные волны — колебания электрического и магнитного силовых полей в пространстве. Один из примеров — изменяющийся ток в антенне радиопередатчика, который создает кольца распространяющихся в пространстве радиоволн.

Энергия электромагнитной волны зависит от ее длины — расстояния между двумя соседними «пиками». Чем меньше длина волны, тем выше ее энергия. В порядке убывания своей длины электромагнитные волны подразделяются на радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Длина волны гамма-излучения не достигает и одной стомиллиардной метра, в то время как радиоволны могут иметь длину, исчисляющуюся в километрах.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света, а силовые линии их электрического и магнитного полей располагаются под прямым углом друг к другу и к направлению движения волны.

Электромагнитные волны расходятся постепенно расширяющимися кругами от передающей антенны двусторонней радиостанции аналогично тому, как это делают волны, вызванные падением камешка в пруд. Переменный электрический ток в антенне создает волны, состоящие из электрического и магнитного полей.

Схема электромагнитной волны

Электромагнитная волна распространяется прямолинейно, а ее электрическое и магнитное поле перпендикулярны потоку энергии.

Преломление электромагнитных волн

Так же как и свет, все электромагнитные волны преломляются, когда входят в вещество под любым углом, кроме прямого.

Отражение электромагнитных волн

Если электромагнитные волны падают на металлическую параболическую поверхность, они фокусируются в точке.

Рост электромагнитных волн

ложный узор электромагнитных волн, исходящих из передающей антенны, возникает из одиночного колебания электрического тока. Когда ток течет вверх по антенне, электрическое поле (красные линии) направлено сверху вниз, а магнитное поле (зеленые линии) — против часовой стрелки. Если ток изменяет свое направление, то же самое происходит с электрическим и магнитным полями.

Государственный комитет РФ

Государственный комитет РФ

Электромагнитные поля и волны

Лабораторная работа 1

назад

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование влияния параметров реальных сред на процесс распространения электромагнитных волн.

 

ЗАДАНИЕ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАСЧЕТА.

Для прямоугольного волновода сечением ab мм, заполненного различными средами (см. таблицу 2), рассчитать для заданных в таблице 1 вариантов частоты f : коэффициент затухания α, фазовую постоянную β, модуль характеристического сопротивления , длину волны и фазовую скорость в прямоугольном волноводе, заполненного средой. Определить эквивалентную проводимость среды . В качестве исследуемых сред используются немагнитные среды. Относительная магнитная проницаемость m для немагнитных сред всегда равна единице .

Таблица 1

последняя цифра пароля

1

2

3

4

Вариант

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

Частота, ГГц

7,5

10

8,15

7,6

9,8

8,25

7,7

9,6

8,35

7,8

9,4

8,45

последняя цифра пароля

5

6

7

8

Вариант

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

Частота, ГГц

7,9

9,2

8,55

8,0

9,0

7,05

8,1

9,1

9,95

8,3

9,3

7,55

последняя цифра пароля

9

10

11

12

Вариант

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

Частота, ГГц

8,5

9,5

7,65

8,7

9,7

7,75

8,9

9,9

7,85

8,2

8,8

9,85

 

Таблица 2

№ варианта

Среда

1

Фторопласт

Текстолит

2

Оргстекло

Дерево

3

Текстолит

Дерево

№ варианта выбирается самостоятельно.

Примечание: при проведении расчетов:

; ; а =23 мм; в = 10 мм.

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

Лабораторная установка (см. рис.1) состоит из генераторов сигнала СВЧ (1), измерительной линии (2), заполненной исследуемой средой (3), измерителя напряжения (4), короткозамыкателя (5) и согласованной поглощающей нагрузки (6).

Рисунок 1 – Лабораторная установка

 

ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

  1. Экспериментально определить фазовую постоянную β и относительную диэлектрическую проницаемость среды ε исследуемых сред, для этого:
  2. собрать схему (рис.1), установить в прямоугольный волновод один из диэлектрических образцов (канавкой вверх) и присоединить короткозамыкатель. Установить на генераторе заданную частоту f и настроить измерительную линию на частоту генератора путем регулировки поршня на индикаторной головке измерительной линии. Критерий настройки – максимальное отклонение стрелки на измерителе напряжения;
  3. при помощи измерительной линии определить координаты двух соседних минимумов амплитуды стоячей волны и . Вычислить расстояние между соседними минимумами и определить длину волны в прямоугольном волноводе, заполненного средой, как ;
  4. по найденному значению и при известных параметрах f и а (а – размер широкой стенки волновода) определить диэлектрическую проницаемость ε среды, заполняющей прямоугольный волновод, и фазовую постоянную β, используя уравнения (15) и (16).
    1. Экспериментально определить коэффициент затухания a исследуемых сред; для этого
    2. собрать схему рис. 1, присоединив вместо короткозамыкателя поглощающую нагрузку;
    3. исследовать зависимость амплитуды напряженности электрического поля при перемещении зонда измерительной линии вдоль прямоугольного волновода с исследуемой средой, двигаясь от генератора к нагрузке. Измерения проводить через 5 мм. Вычислить значения , где - показания индикатора, и результаты измерений занести в таблицу;
    4. по результатам измерений нанести на график зависимости напряженности электрического поля от координаты z, полученные в предыдущем пункте экспериментальные значения амплитуды поля, и провести аппроксимацию этих значений плавной кривой. Направление оси z от генератора к нагрузке;
    5. определить коэффициент затухания a , используя построенную аппроксимирующую кривую на графике и уравнение (19).
    6. Вычислить по экспериментально определенным значениям b и a :
    7. эквивалентную проводимость ;
    8. тангенс угла диэлектрических потерь ;
    9. комплексную диэлектрическую проницаемость ;
    10. модуль характеристического сопротивления ;
    11. фазовую скорость ;
    12. ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ должен содержать:

      1. Цель работы.

      2.Блок-схема лабораторной установки.

      3. Результаты предварительного расчета, представленные в виде

      таблиц и графиков зависимости напряженности электрического поля от координаты z для различных сред.

      4. Выводы по работе.

      КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

       

      Под волновым процессом понимают возмущение некоторой величины в пространстве, перемещающееся с конечной скоростью и переносящее энергию без переноса вещества.

      Математически волновой процесс описывается однородным уравнением Гельмгольца:

      , (1)

      где - оператор Лапласа,

      - волновое число или постоянная распространения,

      - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости,

      - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости.

      Плоская электромагнитная волна – это волновой процесс, у которого электрическая и магнитная составляющие поля во всех точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, имеют одинаковые значения. Если принять в качестве направления распространения плоской электромагнитной волны ось z в декартовой системе координат, то, согласно определению, поле плоской электромагнитной волны не зависит от поперечных координат x и y. Следовательно, и уравнение (1) принимает следующий вид:

      .

      Решение данного дифференциального уравнения 2-го порядка имеет вид:

      , (2)

      где – единичный вектор.

      Общее решение представляет собой два волновых процесса, распространяющихся на встречу друг друга, вдоль отрицательного и положительного направления оси z (волна падающая и отраженная). Поскольку в рассматриваемой задаче рассматривается один источник, то учитываем только волну с амплитудой А

      . (3)

      Выделим из комплексного выражения действительную часть:

      .

       

      а) Плоская электромагнитная волна в идеальной среде.

      Идеальной средой принято называть среду в которой отсутствуют потери энергии при распространении электромагнитной волны. Общая запись плоской электромагнитной волны в идеальной среде:

      (4)

      где k – вещественное волновое число.

      Вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. Электрическое и магнитное поля колеблются в пространстве синхронно и синфазно. Коэффициент пропорциональности, определяемый как , называется характеристическим (волновым) сопротивлением данной среды :

      . (5)

      Из (5) видно, что полностью определяется лишь параметрами самой среды.

      Перейдем от комплексных значений в (4) к мгновенным, в результате получим:

      (6)

      где - фаза колебаний.

      Длина волны - это расстояние, которое проходит фазовый фронт за один период колебаний высокой частоты. Отсюда фазовая скорость плоской электромагнитной волны в идеальной среде равна:

      ,

      , (7)

      где: - скорость света.

      б) Плоская электромагнитная волна в реальной среде.

      При распространении электромагнитных волн в реальных средах происходит частичное рассеивание их энергии, которое обусловлено потерями в среде. Различают два вида потерь в среде:

    13. Поляризационные ( диэлектрические) потери.
    14. Механизм их появления можно пояснить следующим образом. При отсутствии внешнего электрического поля каждый атом вещества, из которого состоит среда, упрощенно представляет собой положительно заряженное ядро с отрицательными электронами, вращающимися по круговой орбите. Центры положительного и отрицательного зарядов совпадают и суммарный заряд атома равен нулю. Под влиянием внешнего электрического поля орбита электрона (электронов) вытягивается, стремясь к эллиптической. В этом случае центры положительного и заряда перестают совпадать друг с другом и атом начинает вести себя подобно электрическому диполю. Диполи отдельных атомов всего вещества ориентируются определенным образом относительно приложенного внешнего поля. Этот процесс принято называть электронной поляризацией. В переменном электрическом поле ориентация диполей меняется с частотой , возникающие при этом “трения” при смещении отдельных диполей вещества и обуславливают поляризационные (диэлектрические) потери. Их учет производится путем введения комплексной абсолютной диэлектрической проницаемости:

      ,

      где .

    15. Потери, обусловленные проводимостью вещества.
    16. Они возникают вследствие столкновения свободных носителей заряда (электронов) с атомами кристаллической решетки. Поскольку упорядоченное движение электронов создает электрический ток, называемый током проводимости, то принято говорить, что данный вид потерь обусловлен протеканием в среде токов проводимости. Эти потери в среде пропорциональны отношению удельной электрической проводимости к частоте поля .

      При фиксированной частоте эти два вида потерь с макроскопической точки зрения неразличимы: как те так и другие потери приводят к преобразованию электромагнитной энергии в другие виды энергий. Вследствие этого комплексная диэлектрическая проницаемость среды с учетом обеих видов потерь запишется как:

      .

      Можно формально ввести понятие эквивалентной проводимости среды, соответствующую поляризационным потерям как: .

      Отсюда: .

      Тогда окончательно получаем:

      . (8)

      Отношение - носит название тангенса угла потерь.

      Отношение - носит название тангенса угла диэлектри-ческих потерь.

      Разделение сред на диэлектрические и проводящие с физической точки зрения связанно с наличием свободных носителей заряда. В то же время можно сказать, что разделение сред на диэлектрики и проводники достаточно условно, поскольку одна и та же среда может вести себя по разному на различных частотах (например, морская вода на НЧ является проводником, а на СВЧ – диэлектриком).

      В данной лабораторной работе исследуются диэлектрические среды, для которых справедливо неравенство , поэтому:

      . (9)

      Вследствие этого, волновое число также является комплексной величиной:

      . (10)

      Вещественную часть волнового числа b называют фазовой постоянной, а мнимую часть a - коэффициентом затухания. Значения b и a можно найти непосредственно из (10):

      (11)

      Таким образом, с учетом выражений (4) и (10) уравнение плоской электромагнитной волны в реальной безграничной среде запишется как:

      Перейдем к мгновенным значениям и , в результате получим:

      (12)

      где - модуль характеристического сопротивления реальной среды,

      - сдвиг по фазе.

      Сравнивая уравнения (6) и (12), можно выявить следующие различая между плоской электромагнитной волной в идеальной и реальной среде:

      а) Векторы Е и Н сдвинуты по фазе на угол, равный j ;

      б) Множитель указывает на экспоненциальное ослабление поля в направлении распространения волны, что связанно с преобразованием части электромагнитной энергии в другие виды энергий. Отсюда очевиден физический смысл коэффициента затухания: a характеризует уменьшение амплитуды волны на единицу длины.

      в) Роль волнового числа (постоянной распространения) электромагнитной волны в постоянной среде играет вещественная часть b комплексного волнового числа. Постоянная распространения b характеризует изменение фазы волны на единицу длины. По аналогии с идеальной средой, для реальной среды длина волны и фазовая скорость будут определяться как:

      , . (13)

      В заключении изобразим мгновенную картину плоской электромагнитной волны, распространяющейся в идеальной среде (рис. 2 а) и в реальной среде (рис. 2б).

      а) б)

      Рисунок 2 – Эскиз взаимного расположения электрических и магнитных полей в пространстве а) в идеальных средах б) в реальных средах

      в) Плоская электромагнитная волна в направляющей системе.

      Для исследования поведения плоских электромагнитных волн в реальной среде в данной лабораторной работе используется направляющая система, позволяющая сосредоточить электромагнитную энергию в определенном пространстве и передать ее в заданном направлении. Примером направляющей системы может, в частности, служить полая металлическая труба прямоугольного сечения, носящая название прямоугольный волновод. Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе можно рассматривать как результат сложения плоских электромагнитных волн, рассмотренных ранее, многократно отраженных под углом g от граничных поверхностей, образующих волновод (см. рис. 3).

      Рисунок 3 – Электромагнитное поле в прямоугольном волноводе

      Плоская электромагнитная волна, двигаясь от точки А до точки В, за время пройдет расстояние АВ равное . За это же время волна вдоль стенки волновода пройдет расстояние и равное . Таким образом: , фазовая скорость электромагнитной волны в направляющей системе:

      .

      Так как , то отличительной особенностью направляющих систем является то, что фазовая скорость распространения электромагнитной волны в них больше чем фазовая скорость волны в неограниченной среде. В частности для прямоугольного волновода:

      , (14)

      где: - длина волны в свободном пространстве;

      а – размер широкой стенки прямоугольного волновода.

      Исходя из (13) и (14) нетрудно определить основные параметры электромагнитной волны в прямоугольном волноводе, заполнено реальной средой:

      Постоянная распространения волны в прямоугольном волноводе b :

      , . (15)

      Длина волны в прямоугольном волноводе :

      , . (16)

      Модуль характеристического сопротивления прямоугольного волновода:

      . (17)

      Коэффициент затухания a в прямоугольном волноводе:

      , . (18)

      На практике, чтобы определить затухание волны в прямоугольном волноводе при прохождении пути L, берут отношение амплитуд на концах этого участка:

      .

      Затухание в децибелах определяют как двадцать десятичных логарифмов от этого отношения:

      .

      Отсюда:

      , . (19)

       

       

       

      КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

      1. Какая волна называется плоской волной? При каком условии электромагнитную волну можно считать плоской волной?

      2. Какие среды называют идеальными, какие реальными? Приведите примеры идеальных и реальных сред.

      3. Чем обусловлены потери энергии электромагнитной волны в диэлектрике, проводнике и вакууме?

      4. Поясните физический смысл коэффициента затухания и фазовой постоянной.

      5. Что называют длиной волны и периодом колебаний?

      6. Записать уравнение плоской волны для электрического и магнитного полей в идеальной среде.

      7. Записать уравнение плоской волны для электрического и магнитного полей в реальной среде.

      8. Поясните физический смысл тангенса угла потерь.

      9. Какое физическое явление используется для измерения диэлектрической проницаемости?

      10. Какое физическое явление используется для измерения коэффициента затухания?

       

      СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

      1. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика:

      Учебник для вузов. М.: Связь, 1971, стр. 166-230.

      2. Семенов Н.А. Техническая электродинамика: Учебник для вузов.

      М.: Связь, 1973, стр. 98-117.


      назад

      Электромагнитные волны и антенны

      Многослойные диэлектрические структуры
      --------------------------------
      brewster - вычисляет Брюстера и критические углы
      коэффициенты отражения Френеля - Френеля для изотропных или двулучепреломляющих сред
      n2r - коэффициенты преломления к коэффициентам отражения M-слойной структуры
      r2n - коэффициенты отражения к показателям преломления M-слоистой структуры
      multidiel - отражательная характеристика изотропных или двулучепреломляющих многослойных структур
      multidiel1 - упрощенная версия многодиапазонной изотропные слои
      multidiel2 - отклик на отражение изотропных многослойных диэлектрических структур с потерями
      omniband - полоса пропускания ненаправленных зеркал и поляризаторов Брюстера
      omniband2 - полоса пропускания двулучепреломляющих многослойных зеркал
      snel - вычисляет углы преломления
      из закона двулучепреломления
      для среды
      5 Четвертьволновые трансформаторы
      -------------------------------
      bkwrec - рекурсия обратного уровня с уменьшением порядка - от a, b to r
      frwrec - увеличивающая порядок рекурсия прямого слоя - от r до A, B
      chebtr - Чебышевская конструкция широкополосного безотражательного четвертьволнового трансформатора
      chebtr2 - Чебышевская конструкция широкополосного безотражательного четвертьволнового трансформатора
      chebtr3 - Чебышевская конструкция широкополосного безотражательного четвертьволновый трансформатор

      Диэлектрические волноводы
      ---------------------
      dguide - TE-моды в диэлектрическом пластинчатом волноводе
      dslab - решает волновые числа отсечки TE-мод в диэлектрической пластине
      dguide3 - TE и TM моды в асимметричном трехслойном диэлектрическом волноводе

      Плазмонные волноводы
      ---------------------
      drude - модель Друде-Лоренца для серебра, золота, меди, алюминия
      dmda - асимметричный плазмонный волновод DMD - итерационное решение
      dmds - симметричный плазмонный волновод DMD - итерационное решение
      dmdcut - ширина отсечки для асимметричных DMD-волноводов
      pwg - плазмонный волновод для симметричных волноводов
      pwga - плазмонный волновод для асимметричных волноводов
      pwgpower 900 - передаваемая мощность в плазмонном волноводе

      000324 Sommerfeld and Goubau Wires
      ----------------------------
      sommer - решить характеристическое уравнение для проволоки Sommerfeld
      goubau - решить характеристическое уравнение Goubau линия
      goubatt - затухание в линии Губо
      gcut - функция отсечки для линии Губо
      attw - характеристическое уравнение поверхностного волновода Аттвуда
      attwatt - затухание поверхностного волновода Аттвуда
      J01 - приближение J0 (z) / J1 (z) для большого изображения (z )

      Линии передачи
      ------------------
      g2z - преобразование коэффициента отражения в преобразование импеданса
      z2g - преобразование коэффициента отражения в коэффициент отражения
      лмин - определение местоположения минимумов и максимумов напряжения
      мстрипа - микрополосковый анализ (вычисляет Z, eff от w / h)
      mstripr - микрополосковый синтез с уточнением (вычисляет w / h от Z)
      mstrips - микрополосковый синтез (вычисляет w / h от Z)
      multiline - отклик отражения многосегментной передачи линия
      swr - коэффициент стоячей волны
      tsection - T-образный эквивалент отрезка линии передачи длиной l
      gprop - распространение коэффициента отражения
      vprop - распространение напряжения и тока
      zprop - распространение волнового сопротивления

      Согласование импеданса
      ------------------
      qwt1 - четвертьволновый трансформатор с последовательным сегментом
      qwt2 - четвертьволновый трансформатор с 1/8-волновым шунтирующим шунтом
      qwt3 - четвертьволновой трансформатор с шунтирующим шлейфом регулируемой длины
      двухдиапазонный - двухсекционный двухдиапазонный трансформатор Чебышева
      dualbw - полоса пропускания двухдиапазонного трансформатора
      шлейф 1 - одинарный шлейф
      шлейф2 - сдвоенный шлейф
      шлейф3 - тройной шлейф
      onesect - односекционный трансформатор импеданса
      twosect - двухсекционный трансформатор импеданса
      pi2t - преобразование Pi в T
      t2pi - преобразование T в Pi
      lmatch - L-образная реактивная сопряженная согласующая схема
      pmatch - реактивная сопряженная согласующая сеть Pi-участка

      S-параметры
      ------------
      gin - входной коэффициент отражения в терминах S-параметров
      gout - выходной коэффициент отражения в терминах S-параметров
      nfcirc - круг постоянного коэффициента шума
      nfig - коэффициент шума двухпортового
      sgain - преобразователь, доступный и рабочий прирост мощности двухпортового
      sgcirc - круги стабильности и усиления
      smat - S-параметры к S-матрице
      smatch - одновременное сопряженное согласование двухпортового
      smith - нарисовать базовую диаграмму Смита
      smithcir - добавить круги стабильности и постоянного усиления на диаграмме Смита
      sparam - параметры устойчивости двухпортовой диаграммы
      circint - пересечение окружностей на гамма-плоскости
      circtan - точка касания двух окружностей

      Функции линейной антенны
      ------------------------
      dipdir - направленность диполя
      dmax - вычисляет направленность и телесный угол луча g (th) усиление
      диполь - усиление линейного диполя с центральным питанием длиной L
      бегущего - усиление антенны бегущей волны длины L
      vee - усиление vee-антенны бегущей волны
      ромбическое - усиление ромбической антенны бегущей волны

      king - трехчленное синусоидальное приближение Кинга
      kingeval - оценка трехчленного синусоидального тока Кинга
      kingfit - соответствует дискретизированному току двухчленной синусоидальной аппроксимации Кинга
      kingprime - преобразует трехчленные коэффициенты Кинга из незаштрихованной формы в первичную

      hbasis - базисные функции для уравнения Халлена
      hdelta - решить уравнение Халлена с вводом дельта-зазора
      hfield - решить уравнение Халлена с произвольным падающим E-полем
      hmat - Матрица импеданса Халлена с методом моментов и согласования точек
      hwrap - оборачивает Теплица матрица импеданса до половины ее размера
      ядро ​​- вычисление тонкого ядра для уравнения Халлена
      pfield - решение уравнения Поклингтона с произвольным падающим E-полем
      pmat - матрица импеданса Поклингтона с методом моментов и согласования точек

      hcoupled - решить уравнение Халлена для двумерного массива неидентичных параллельных диполей
      hcoupled2 - решить уравнение Халлена для двумерного массива идентичных параллельных диполей

      gain2d - нормализованное усиление двумерного массива параллельных диполей с токами Халлена
      gain2s - нормализованное усиление двумерного массива параллельных диполей с синусоидальными токами
      импед - взаимное сопротивление между двумя параллельными диполями стоячей волны
      импед2 - взаимное сопротивление между двумя параллельными стоячими волнами диполи
      impedmat - матрица взаимных сопротивлений решетки параллельных дипольных антенн
      резонансная - вычисляет длину резонансной дипольной антенны
      yagi - упрощенная конструкция решетки Яги-Уда

      Функции апертурной антенны
      --------------------------
      BBnum - вычисление полей в модели Бете-Боукампа
      BBfar - дальние поля в Бете-Боукампе модель
      BBnear - ближние поля в Бете-Боукампе модель

      diffint - обобщенный интеграл дифракции Френеля
      diffr - коэффициент дифракции на острие
      dsinc - функция двойной sinc cos (pi * x) / (1-4 * x ^ 2)
      fcs - интегралы Френеля C (x) и S ( x)
      fcs2 - интегралы Френеля типа 2 C2 (x) и S2 (x)

      jinc - функция jinc и "сдвинутая" функция jinc

      Тальбот - суммы Гаусса для дробного эффекта Тальбота

      tbw - однопараметрическое окно Тейлора
      tnb1 - n-полосное окно Тейлора (1-D)
      tnb2 - n-bar-окно Тейлора (2-D)

      hband - рупорная антенна 3 дБ шириной
      Heff - эффективность апертуры рупорной антенны
      hgain - рупорная антенна Н-плоскость и в плоскости Е усиливается на
      Hopt - оптимальный рупорную конструкции антенны
      hsigma - оптимальные для сигма использовать параметры рупорной антенны

      Функции антенной решетки
      -----------------------
      gain1d - вычисление нормализованного усиления для одномерной равномерно разнесенной изотропной решетки

      bwidth - отображение ширины луча из пси-пространства в фи-пространство
      binomial - биномиальные веса массива
      dolph - веса массива Dolph-Chebyshev
      dolph3 - версия Riblet-Pritchard Dolph-Chebyshev
      dolph4 - версия DuHamel для endfire Dolph-multi-Chebyshev 9 конструкция многолучевой решетки
      prol - вытянутая матрица
      prolmat - вытянутая матрица
      scan - матрица сканирования с заданной фазой сканирования
      сектор - конструкция матрицы секторных лучей
      направлять - направлять матрицу в сторону заданного угла
      taylornb - конструкция линейной линейной матрицы Тейлора
      taylor1p - дизайн массива Тейлора с одним параметром
      taylorbw - B-параметр Тейлора и ширина луча
      uniform - однородные веса массива
      woodward - лучи Вудворда-Лоусона-Батлера
      ville - дизайн массива Вильнева

      chebarray - метод построения массива Чебышева Бреслера - автор П. Simon
      Я хотел бы поблагодарить доктора Simon за разрешение включить
      эту функцию в эту коллекцию.

      Функции построения графика усиления
      -----------------------
      abp - график полярного усиления в абсолютных единицах
      abz - график азимутального усиления в абсолютных единицах
      abp2 - полярный коэффициент усиления график в абсолютных единицах - диапазон углов 2 * pi
      abz2 - график азимутального усиления в абсолютных единицах - диапазон углов 2pi

      dbp - график полярного усиления в дБ
      дБз - график азимутального усиления в дБ
      dbp2 - график полярного усиления в дБ - диапазон углов 2 * pi
      dbz2 - график азимутального усиления в дБ - диапазон углов 2pi

      abadd - добавить усиление в абсолютных единицах
      abadd2 - добавить усиление в абсолютных единицах - диапазон углов 2pi
      dbadd - добавить усиление в дБ
      dbadd2 - добавить усиление в дБ - диапазон углов 2pi
      addbwp - добавить угловую ширину луча 3 дБ в полярных диаграммах
      addbwz - добавить угловую ширину луча 3 дБ на азимутальных графиках
      addcirc - добавить круг сетки на полярных или азимутальных графиках
      addline - добавить линию луча сетки на азимутальных или полярных графиках
      addray - добавить луч на азимутальных или полярных графиках

      Разные служебные функции

      Обзор электромагнитных волн Рона Куртуса

      SfC Home> Физика> Электромагнитные волны>

      , автор: Рон Куртус (от 15 февраля 2016 г. )

      Электромагнитные волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей, действующих перпендикулярно друг другу.Хотя визуализировать этот сценарий сложно, форма волны действительно имеет характеристики, аналогичные другим типам волн.

      Различные диапазоны электромагнитных волн или их можно классифицировать в зависимости от их характеристик и того, как они взаимодействуют с веществом. Некоторые группы в электромагнитном спектре включают радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и видимый свет.

      Различные эффекты определяют создание и обнаружение для диапазона длин волн.

      Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

      • Что такое электромагнитная волна?
      • Как создаются эти волны?
      • Каковы характеристики электромагнитных волн?
      • Как создаются и обнаруживаются эти волны?

      Этот урок ответит на эти вопросы.Полезный инструмент: Преобразование единиц



      Описание электромагнитной волны

      Электромагнитная волна состоит из колеблющегося электрического поля и соответствующего магнитного поля под прямым углом к ​​

      Классически электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн , которые представляют собой синхронизированные колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся со скоростью света через вакуум. Колебания двух полей перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения энергии и волны, образуя поперечную волну.

      Электромагнитный спектр

      Диапазон длин волн электромагнитных волн - от очень длинных до очень коротких - называется электромагнитным спектром:

      Radio и TV Волны - это самые длинные из используемых волн, имеющие длину волны 1 милю (1,5 км) или более.

      Микроволны используются в телекоммуникациях, а также для приготовления пищи.

      Инфракрасное излучение почти не видно.Это темно-красные лучи, которые дает тепловая лампа.

      Видимый свет Волны - это излучение, которое вы можете видеть своими глазами. Их длины волн находятся в диапазоне 1/1000 сантиметра.

      Ультрафиолетовые лучи вызывают солнечный ожог и используются в «черных огнях», заставляющих предметы светиться.

      Рентгеновские лучи проходят через тело и используются в медицинских целях.

      Гамма-лучи - опасные лучи, исходящие от ядерных реакторов и атомных бомб.У них самая короткая длина волны в электромагнитном спектре около 1/10 000 000 сантиметра.

      Характеристики электромагнитных волн

      Электромагнитные волны - это поперечные волны, похожие на волны воды в океане или волны на гитарной струне. Это в отличие от волн сжатия звука. Как вы узнали в Wave Motion, все волны имеют амплитуду, длину, скорость и частоту.

      Амплитуда

      Амплитуда электромагнитных волн зависит от их интенсивности или яркости (как в случае видимого света).

      Яркость видимого света обычно измеряется в люменах. Для других длин волн используется интенсивность излучения, которая представляет собой мощность на единицу площади или ватт на квадратный метр. Квадрат амплитуды волны - это интенсивность.

      Длина волны

      Длины волн электромагнитных волн варьируются от очень длинных до очень коротких и все, что находится между ними. Длины волн определяют, как вещество реагирует на электромагнитную волну, и эти характеристики определяют название, которое мы даем этой конкретной группе длин волн.

      Скорость

      Скорость электромагнитных волн в вакууме составляет приблизительно 186 000 миль в секунду или 300 000 километров в секунду, как и скорость света. Когда эти волны проходят сквозь материю, они немного замедляются в зависимости от их длины.

      Частота

      Частота любой формы волны равна скорости, деленной на длину волны. Единицы измерения - циклы в секунду или герцы.

      Создание и обнаружение

      Когда электроны движутся, они создают магнитное поле.Когда электроны движутся вперед и назад или колеблются, их электрическое и магнитное поля изменяются вместе, образуя электромагнитную волну. Это колебание может происходить из-за того, что атомы нагреваются и, таким образом, быстро перемещаются, или из-за электричества переменного тока (AC).

      Обратный эффект возникает, когда электромагнитная волна ударяет по материи. В таком случае он может заставить атомы вибрировать, выделяя тепло, или он может заставить электроны колебаться, в зависимости от длины волны излучения.

      Источники электромагнитного излучения

      Электромагнитное излучение исходит от всего вещества с температурой выше абсолютного нуля.Температура - это мера средней энергии колеблющихся атомов, и эта вибрация заставляет их испускать электромагнитное излучение. По мере повышения температуры испускается больше излучения и более короткие волны электромагнитного излучения.

      Источники длинных волн

      Электронные устройства излучают микроволны, радио и телевизионные волны. Искры и переменный ток вызывают колебания соответствующей частоты.

      Источники видимого света

      Видимый свет излучается материей, температура которой превышает 700 градусов Цельсия.Этот предмет считается раскаленным. Солнце, огонь и обычная лампочка - это источники света накаливания.

      Когда элемент в электрической плите нагревается, он испускает инфракрасное излучение, а затем, когда он становится горячее, чем 700 градусов, он начинает светиться. Видимый свет излучается горячим элементом.

      (Дополнительную информацию см. В разделе «Видимый свет».)

      Источники коротких волн

      Разбивая электроны высокой энергии на другие частицы, такие как атомы металла, создаются рентгеновские лучи.

      (Для получения дополнительной информации см. Рентгеновские снимки.)

      Гамма-лучи излучаются ядерными реакциями, атомными бомбами и взрывами на Солнце и других звездах.

      Детекторы электромагнитного излучения

      Есть несколько типов детекторов электромагнитного излучения. Мы знаем наиболее распространенные из них для обнаружения видимого света: глаз, фотопленку и детекторы некоторых калькуляторов. Ваша кожа также может обнаруживать как видимый свет, так и инфракрасные тепловые лучи.

      Электронные устройства необходимы для обнаружения большинства более длинных волн, например радиоволн. Специальная пленка может обнаруживать более короткие волны, такие как рентгеновские лучи

      Резюме

      Электромагнитные волны - это поперечные волны, движущиеся со скоростью света. Спектр их длин волн дает волны, которые используются во многих наших полезных устройствах. Волны образованы теплом, электроникой и ядерными силами.


      Научиться мыслить логически


      Ресурсы и ссылки

      Полномочия Рона Куртуса

      Сайты

      Электромагнитное излучение - Википедия

      Ресурсы электромагнитных волн

      Физические ресурсы

      Книги

      Лучшие книги по электромагнитным волнам


      Вопросы и комментарии

      У вас есть вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если это так, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.


      Поделиться страницей

      Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


      Студенты и исследователи

      Веб-адрес этой страницы:
      www. school-for-champions.com/science/
      электромагнитный_waves.htm

      Пожалуйста, включите его в качестве ссылки на свой веб-сайт или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

      Авторские права © Ограничения


      Где ты сейчас?

      Школа чемпионов

      Физика

      Обзор электромагнитных волн

      Электромагнитный спектр - ScienceAid

      Под редакцией Джейми (редактор ScienceAid), Тейлор (редактор ScienceAid), vcdanht, Sim и еще 4 человека.

      Электромагнитный спектр

      Свет - это всего лишь часть непрерывного спектра волн, называемого электромагнитным спектром.Этот спектр включает множество типов волн, которые вы узнаете, включая рентгеновские лучи и инфракрасные лучи.

      Электромагнитный спектр обычно дается в порядке убывания длины волны или увеличения частоты. Сводка спектра, показывающая длину волны и частоту, выглядит следующим образом:

      Свойства, опасности и способы использования

      Свойства, опасности и применения различных волн в спектре ЭМ приведены в таблице ниже.

      Волна использует Опасности
      Radio Waves
      • Радиопередатчики
      • Радар
      • Телевидение
      Нет
      Микроволны
      • Микроволновые печи
      • Система связи
      Внутренний нагрев тканей тела
      Инфракрасный
      • Тепловидение
      • Пульт дистанционного управления
      Ожоги кожи
      Свет Сильный свет вызывает нарушение зрения.
      Ультрафиолетовый
      • Стиральный порошок (белее белого)
      • Защитная маркировка
      Рак кожи и слепота
      Рентгеновские лучи
      • Съемка скелета
      Мутации в клетках и сильные ожоги кожи.
      Гамма-лучи
      • Лечение рака
      • Стерилизация оборудования
      Раки и мутации клеток

      Вопросы и ответы

      Привет, Джейми, почему электромагнитная волна называется электромагнитной?

      Просто смущаюсь с пониманием этого.свет не является электрическим или магнитным. Просто любопытный ум. размышляя, почему его выбрали именно так.

      Электромагнитная волна означает волну, которая может распространяться из-за периодического изменения напряженности как электрического, так и магнитного полей. Другими словами, это означает, что когда напряженность электрического и магнитного полей периодически изменяется, волна может распространяться. Это не значит, что свет (например, электромагнитная волна) должен быть магнитным или электрическим.

      Какие виды использования и опасности электромагнитного спектра?

      Рентгеновский снимок, представленный выше, является одним из многих типов, которые используют медицинские работники.

      Спектр может использоваться не только в опасностях, но и во многих случаях.

      Некоторые виды использования включают:

      1. 1

      2. 2

      3. 3

        Связь; Сотовые телефоны, спутник и т. Д.

        . В зависимости от устройства, о котором мы говорим, используется комбинация микроволн и радиоволн.

      Некоторые опасности включают:

      1. 1

      2. 2

      3. 3

        Радар; Хотя это очень полезно по понятным причинам, но (если вы подойдете слишком близко к передающей антенне) может приготовить ваши внутренности, как микроволновая печь.

      Не могли бы вы подробнее рассказать об использовании и опасностях волны?

      Я не мог понять пользы и опасности только для некоторых

      ScienceAid QnA. Этот раздел еще не написан. Хотите присоединиться? Щелкните ИЗМЕНИТЬ, чтобы написать этот ответ.

      В каком порядке идут волны и в каком порядке?

      Привет, я тоже Джейми, и у меня есть вопрос, пожалуйста, и спасибо Самая длинная волна и самая низкая частота запускаются Радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи ScienceAid QnA. Этот раздел еще не написан. Хотите присоединиться? Щелкните ИЗМЕНИТЬ, чтобы написать этот ответ.

      Ссылка на эту статью

      Если вам нужно ссылаться на эту статью в своей работе, вы можете скопировать и вставить следующее в зависимости от требуемого формата:

      APA (Американская психологическая ассоциация)
      Электромагнитный спектр. (2018). В ScienceAid . Получено 24 января 2021 г. с https://scienceaid.net/physics/waves/emspectrum.html

      .

      MLA (Ассоциация современного языка) "Электромагнитный спектр." ScienceAid , scienceaid.net/physics/waves/emspectrum.html По состоянию на 24 января 2021 г.

      Чикаго / Турабиан ScienceAid.net. "Электромагнитный спектр." По состоянию на 24 января 2021 г. https://scienceaid.net/physics/waves/emspectrum.html.

      Комментарии

      Категории: Волны

      Последние изменения: SmartyPants, callmedaddy123, Sharingknowledge

      Рассеяние электромагнитных волн частицами

      Рассеяние электромагнитных волн частицами

      Взаимодействие между электромагнитными волнами и частицами создает уникальные картины рассеяния, которые зависят от длины волны и размера частиц.

      Когда электромагнитные волны распространяются через вещество, они взаимодействуют с частицами или неоднородностями и локально возмущают локальное распределение электронов. Это изменение вызывает периодическое разделение зарядов внутри частицы, вызывая колебания индуцированного локального дипольного момента, это периодическое ускорение действует как источник электромагнитного излучения, вызывая рассеяние. Большая часть рассеянной волны колеблется с той же частотой, что и падающая волна, и называется упругим рассеянием.Взаимодействие с падающим лучом также может привести к поглощению в виде тепловой энергии. Комбинация рассеяния и поглощения ослабляет падающий луч, что приводит к гашению.

      Рассеяние электромагнитных волн частицами можно рассматривать в двух теоретических рамках: рассеяние Рэлея, применимое к малым диэлектрическим непоглощающим сферическим частицам, и рассеяние Ми, которое обеспечивает общее решение проблемы рассеяния независимо от размера частиц. Теория рассеяния Ми обеспечивает обобщенный подход, не имеет ограничений по размеру частиц и сходится к пределу геометрической оптики при больших размерах частиц. Следовательно, теорию рассеяния Ми можно использовать для описания большей части рассеяния сферическими частицами, включая рассеяние Рэлея, но из-за сложности реализации теория рассеяния Рэлея часто является предпочтительной.

      Рэлеевское рассеяние сильно зависит от размера частицы и длины волны освещающего излучения.Интенсивность рэлеевского рассеянного излучения быстро увеличивается по мере увеличения отношения размера частиц к длине волны и идентична в прямом и обратном направлениях. Модель рэлеевского рассеяния перестает работать, когда размер частиц становится больше, чем приблизительно 10% длины волны падающего излучения, при этом должна применяться теория Ми. Решение Ми получается путем аналитического решения уравнений Максвелла для рассеяния электромагнитного излучения сферическими частицами в терминах бесконечного ряда, а не простого математического выражения.

      Рассеяние Ми отличается от рэлеевского рассеяния в нескольких отношениях: оно примерно не зависит от длины волны и больше в прямом направлении, чем в обратном, рис. 1. Чем больше размер частиц, тем больше света рассеивается в прямом направлении. направление. Помимо объяснения многих атмосферных эффектов рассеяния света, применение рассеяния Ми включает области окружающей среды, такие как частицы пыли в атмосфере и капли масла в воде, а также медицинские технологии для измерения ядер клеток в биологических системах или измерения коллагеновых волокон в тканях тела. .

      Рисунок 1: Электрическое поле из-за рассеяния Ми падающей волны в направлении x, показывающее усиленное рассеяние в прямом направлении.

      Анализ рассеяния Ми

      Реализация аналитических решений для рассеяния Ми частицей или объектом является сложной задачей и требует решения уравнений Максвелла для представления падающих, рассеянных и внутренних полей. Это не простые математические выражения, они представляют собой разложение в бесконечный ряд векторных сферических гармоник, что позволяет предсказывать сечения, коэффициенты эффективности и распределения интенсивности. Кроме того, можно исследовать влияние геометрии частицы, падающей волны и свойств материала частицы.

      В задачах рассеяния электромагнитной волны полная волна разлагается на падающую и рассеянную составляющие:

      (1)

      (2)

      Волновое уравнение Максвелла решается относительно рассеянного электрического поля:

      (3)

      , а рассеянное магнитное поле рассчитывается по закону Фарадея:

      (4)

      Средний по времени вектор Пойнтинга для гармонических во времени полей дает поток энергии:

      (5)

      Для падающей плоской волны магнитное поле связано с электрическим полем соотношением:

      (6)

      где - направление распространения падающей волны, η = (μ / ε) 1/2 - характеристический импеданс, ε - диэлектрическая проницаемость и μ - проницаемость окружающей среды.Следовательно, падающий поток энергии рассчитывается как

      (7)

      Важные физические величины могут быть получены из рассеянных полей. Одним из них является поперечное сечение, которое можно определить как чистую скорость, с которой электромагнитная энергия ( W ) пересекает поверхность воображаемой сферы с центром в частице, разделенная на падающее излучение. Для количественной оценки скорости электромагнитной энергии, которая поглощается ( W abs ) и рассеивается ( W sca ) частицей, поглощение (σ abs ), рассеяние (σ sca ) и сечения экстинкции определены как:

      (8)

      Полная поглощенная энергия получается путем интегрирования потерь энергии по объему частицы:

      (9)

      Рассеянная энергия получается путем интегрирования вектора Пойнтинга по воображаемой сфере вокруг частицы:

      (10)

      , где n - единичный вектор, нормальный к воображаемой поверхности S .

      Из-за дисперсной природы электромагнитных волн они также несут импульс и оказывают на частицу силу, называемую радиационным давлением , которое можно получить путем интегрирования тензора напряжений Максвелла по поверхности сферы:

      (11)

      , где pr - это сечение давления , а - параметр асимметрии .

      Поперечное сечение радиационного давления можно использовать для расчета силы, действующей на частицу в направлении падения:

      (12)

      Общая усредненная по времени сила F , действующая на частицу, освещенную светом, также может быть рассчитана с использованием поверхностного интеграла от усредненного по времени тензора напряжений Максвелла:

      (13)

      Где S p - поверхность, вмещающая объем частицы V p и n - единичный вектор нормали к поверхности S p .

      В следующем блоге мы продемонстрируем реализацию рассеяния Ми в COMSOL Multiphysics и сопоставим результаты с доступным аналитическим решением для упрощенных случаев.

      Обнаружение скрытых объектов с помощью электромагнитных волн

      Мы фокусируемся на десяти социальных сферах.

      • Главная страница Основные направления
      • Искусственный интеллект
        • Области применения
          • Персонализированное здоровье
          • Автономные автомобили и системы
          • Кибербезопасность
          • Профилактическое обслуживание
          • Политика на основе данных
          • Умная промышленность
        • Вызовы
          • Конфиденциальность и этика в AI
          • Обучение на небольших наборах данных
          • Безопасность и обмен данными
          • Прозрачный AI
          • Человеко-машинная команда
        • Методы
          • Обработка естественного языка
          • Справедливое машинное обучение
          • Глубокое зрение
          • Представление знаний и рассуждения
          • Робототехника и автономные агенты
        • Appl. AI События
          • Конференция Appl.AI 2021
          • Веб-семинар Appl.AI №1: Принятие решений правительством
          • Appl.Вебинар AI №2: Беспилотные автомобили
          • Вебинар Appl.AI № 3: Профилактическая помощь
      • Оборона, Безопасность и Безопасность
        • Дорожные карты
          • Операции и человеческий фактор
          • Информационные и сенсорные системы
          • Национальная безопасность
          • Защита, боеприпасы и оружие
        • Группы экспертов
          • Интеллектуальная визуализация
          • Интеллектуальные автономные системы.
          • Акустика и сонар
          • Системы оружия
          • Взрывы, баллистика и защита
          • Химическая, биологическая, радиологическая и ядерная (CBRN) защита
          • Энергетические материалы
          • Человеческое поведение и организационные инновации
          • Сетевые организации
          • Инновации в обучении и производительности
          • Восприятие и когнитивные системы
          • Военные операции
          • Моделирование, симуляция и игры
          • Электронная защита
          • Радарные технологии
      • Энергетический переход
        • Дорожные карты
          • Возобновляемая электроэнергия
          • Системный переход
          • На пути к производству с нейтральным выбросом CO2
          • Устойчивые недра
        • Экспертиза
          • Консультативная группа по экономическим вопросам
          • Биомасса и энергоэффективность
          • Геоданные и ИТ
          • Геомоделирование
          • Теплопередача и динамика жидкости
          • Прикладные науки о Земле
          • Солнечная энергия
          • Солнечные технологии и приложения
          • Устойчивые процессы и энергетические системы
          • Энергия ветра
      • Промышленность
        • Дорожные карты
          • Гибкие продукты и продукты произвольной формы
          • Космическое и научное оборудование
          • Полупроводниковое оборудование
          • Устойчивая химическая промышленность
        • Группы экспертов
          • Holst Center
          • Космическая и системная инженерия
          • Оптика
          • Оптомехатроника
          • Нано-инструменты
          • Квантовая технология
          • Материалы Решения
          • Печать продуктов питания и фармацевтики
      • Здания, Инфраструктура и Морской
        • Дорожные карты
          • Здания и Инфраструктура
          • Морские и офшорные
        • Группы экспертов
          • Строительная физика и системы
          • Структурная надежность
          • Структурная динамика
      • Циркулярная экономика и окружающая среда
        • Дорожные карты
          • Циркулярная экономика
          • Окружающая среда и климат
        • Группы экспертов
          • Экологическое моделирование, зондирование и анализ
          • Климат, воздух и устойчивость
      • Здоровая жизнь
        • Дорожные карты
          • Технологии здравоохранения и цифровое здоровье
          • Биомедицинское здоровье
          • Работа
          • молодежь
        • Группы экспертов
          • Анализ рисков для продуктов в разработке (RAPID)
          • Микробиология и системная биология
          • Исследования метаболического здоровья
          • Здоровье ребенка
          • Технологии здоровья на работе
          • Устойчивая производительность и трудоустройство
      • Движение и транспорт
        • Дорожные карты
          • SMART и безопасное движение и транспорт
          • Устойчивое движение и транспорт
        • Группы экспертов
          • TNO исследования силовых агрегатов
          • Исследования комплексной безопасности транспортных средств
          • Устойчивый транспорт и логистика
          • Устойчивая городская мобильность и безопасность
      • Информационно-коммуникационные технологии
        • Дорожные карты
      .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *